DE102009021448B3 - Device for peripheral processing of workpieces, comprises an optical system having an optical axis that emits a beam bundle along the optical axis, and/or a peripheral mirror system axis that has a workpiece axis around the workpiece - Google Patents
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Abstract
Description
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umfangsbearbeitung eines
Werkstückes,
insbesondere eines Materialstranges mittels eines Lasers, wie sie
gattungsgemäß aus der
Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar bei Prozessen, bei denen viskose Fluidströme, z. B. aus Glas, Polymeren, organischem Glas, Metall oder ähnlichen Substanzen, berührungslos eingeengt oder in Portionen aufgeteilt werden sollen.The Invention is advantageously applicable to processes where viscous Fluid streams, z. Example of glass, polymers, organic glass, metal or the like Substances, contactless restricted or divided into portions.
Die Erfindung ist ebenfalls anwendbar, um feste strangförmige Werkstücke und Halbzeuge zu trennen, zu bearbeiten und ihre Materialeigenschaften entlang ihres Umfangs zu beeinflussen.The Invention is also applicable to solid stranded workpieces and Semi-finished products to separate, edit and their material properties to influence along its circumference.
Es ist bekannt, Materialstränge aus den genannten Materialien mechanisch zu bearbeiten, wobei sich allerdings Nachteile durch Veränderung der Eigenschaften im Bearbeitungsbereich ergeben können. So führt z. B. die Verwendung von mechanischen Scheren zu Änderungen der Materialstruktur im Bereich des Schnittes, wie z. B. Verdichtungen bei metallischen Materialien, oder zu lokalen Abkühlungen von viskosen Schmelzen oder Fluiden.It is known, strands of material mechanically working from said materials, wherein but disadvantages due to change of the properties in the editing area. So leads z. For example, the use of mechanical shears to change the material structure in Area of the cut, such. B. densifications in metallic Materials, or to local refrigerations viscous melts or fluids.
Berührungslose Verfahren zur Materialbearbeitung vermindern solche nachteiligen Eigenschaftsveränderungen oder heben diese sogar gänzlich auf. Neben der Anwendung von elektrischen oder elektromagnetischen Phänomenen stellt die Verwendung hochenergetischer Strahlung, wie sie von Lasern emittiert wird, eine vielseitig anwendbare Möglichkeit der Materialbearbeitung dar.contactless Methods for processing materials reduce such adverse property changes or even lift them altogether on. In addition to the application of electrical or electromagnetic phenomena introduces the use of high energy radiation, such as lasers is emitted, a versatile applicable material processing represents.
Die Verwendung von Laserstrahlung bedingt, dass die Energie der Laserstrahlung sehr präzise auf die zu bearbeitenden Bereiche des Materials aufgebracht wird. Nur so können die erwünschten Wirkungen, wie z. B. Schmelzen, Trennen oder Härten, erreicht werden. Weiterhin ist es für eine Reihe von Anwendungen nötig, das Material über einen definierten Bereich sowohl gleichmäßig als auch gleichzeitig mit der Laserstrahlung zu beaufschlagen, um ungewollte lokale thermische Spannungen zu vermeiden.The Use of laser radiation causes the energy of laser radiation very precise is applied to the areas of the material to be processed. Only so can the desired effects, such as As melting, separation or curing can be achieved. Farther is it for a number of applications needed the material over a defined area both evenly and simultaneously with The laser radiation to impose unwanted local thermal To avoid tension.
Bei der Bearbeitung von strangförmigen Materialien ergeben sich spezielle Anforderungen an die technische und technologische Ausführung der Laserbearbeitung. Wird das zu bearbeitende Material nach oder durch die Beaufschlagung mit der Laserstrahlung von dem Strang abgetrennt, kann der Laser zusammen mit den gegebenenfalls nötigen optischen Elementen in derselben Achse angeordnet werden, in der das strangförmige Material bewegt wird (Hauptachse). Verbleibt der bearbeitete Anteil des Materials allerdings am Strang, wie es z. B. bei der Herstellung von Fasern geschieht, so muss der Laser und mindestens ein Teil der zugehörigen optischen Elemente aus der Achse des strangförmigen Materials herausgerückt werden. Trotzdem soll aber eine präzise, gleichförmige und gleichzeitige Beaufschlagung des Werkstücks über den Umfang mit der Laserstrahlung gewährleistet werden.at the processing of rope-shaped Materials have special requirements for the technical and technological execution the laser processing. Is the material to be edited after or separated from the strand by the application of the laser radiation, can the laser together with the possibly necessary optical elements in the same axis are arranged, in which the strand-like material is moved (main axis). Remains the processed portion of the material However, on the strand, as it is z. B. in the production of fibers happens, so must the laser and at least part of the associated optical Elements are moved out of the axis of the strand-like material. Nevertheless, a precise, uniform and simultaneous loading of the workpiece over the circumference with the laser radiation guaranteed become.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind eine Reihe von Lösungen bekannt.Around to meet these requirements are a set of solutions known.
Die
Die
In
der
Eine
technische Lösung
zur Bearbeitung von asymmetrischen Oberflächen von Werkstücken mittels
eines Lasers wird in der
In
der
Die
in der
Auch ist die gesamte Vorrichtung auf das zu bearbeitende Werkstück, hier eine Faser, hin dimensioniert. Zur Bearbeitung von Werkstücken mit einem wesentlich größeren Durchmesser muss die gesamte Vorrichtung in ihrer Dimensionierung angepasst werden.Also is the entire device on the workpiece to be machined, here a fiber, dimensioned out. For machining workpieces with a much larger diameter the entire device must be adapted in its dimensioning.
Aus
der
Auch
gemäß der
Nachteilig an den bisherigen Lösungen sind deren hohe Komplexität, die sich unter anderem in der gleichzeitigen Anordnung mehrerer Laser oder in der Verwendung von rotierenden, optischen Elementen zeigt. Diese Maßnahmen dienen zum einen der Energieumwandlung am Ort der Bearbeitung und zum anderen der Einkopplung eines von einem seitlich angeordneten Laser emittierten Laserstrahles. Eine Bearbeitung von asymmetrischen Werkstücken erfordert eine reglungstechnisch aufwendige Nachjustierung des Laserbearbeitungssystems. Es mangelt bislang auch an einer Lösung für den Fall, dass sich das zu bearbeitende Werkstück nicht in der Mitte der Anordnung zur Laserbearbeitung befindet.adversely at the previous solutions are their high complexity, Among other things, in the simultaneous arrangement of several Laser or in the use of rotating optical elements shows. These measures serve on the one hand the energy conversion at the place of processing and for others the coupling of one of a laterally arranged laser emitted laser beam. A machining of asymmetrical workpieces requires a reglung technically complex readjustment of the laser processing system. So far, there is also a lack of a solution in the event that that too machining workpiece not in the middle of the arrangement for laser processing.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Vorrichtung zu finden, welche eine einfache Zuführung eines Werkstückes erlaubt und die mit nur wenigen Veränderungen an die Bearbeitung von Werkstücken unterschiedlichen Querschnitts und unterschiedlicher Dimension anpassbar ist.Of the Invention is based on the object, a compact device to find, which allows a simple feed of a workpiece and with only a few changes to the machining of workpieces different cross-section and different dimension is customizable.
Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Bearbeitung des Umfanges eines Werkstückes mittels Laser zu finden, wobei eine Beaufschlagung des Werkstückes mit einer vorgegebenen Energieverteilung über den Umfang möglich sein soll.It It is also an object of the invention to provide an alternative method of processing the circumference of a workpiece to find by means of laser, wherein a loading of the workpiece with a given energy distribution over the circumference be possible should.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen beschrieben.These The object is achieved by a device having the features of the claim 1 and for a method with the features of claim 20 solved. advantageous Further developments are each described in the subclaims.
Anhand der Zeichnung werden die Vorrichtung und das Verfahren im Folgenden beispielhaft näher erläutert.Based In the drawing, the apparatus and method will be described below example closer explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
Bearbeitungskammer
In
Abhängigkeit
von der Geometrie des Werkstückes
Eine
solche Relativbewegung ist dann notwendig, wenn das Werkstück
Bei
strangförmigen
Werkstücken
wird vorteilhaft das Werkstück
Bei
Werkstücken
Z.
B. zur bloßen
Trennung eines strangförmigen
Werkstückes
Anstelle
einer Bewegungseinheit für
das optische System, können
auch innerhalb des optischen Systems bewegte, optisch umlenkende
Elemente vorgesehen sein, die die optische Achse
Zur
Durchführung
des Verfahrens wird ein Umfangsspiegel
Über eine
vorgegebene Bearbeitungszeit wird ein Strahlenbündel
Als
Laser
Je
nach der Abstrahlcharakteristik des Lasers
Die
zweite Strahlformungsoptik
Bezogen
auf ein kartesisches Koordinatensystem, durch dessen Koordinatenursprung
die optische Achse
In
Richtung der Zylinderachse, d. h. in der Y-Z-Ebene, bleibt das Strahlenbündel
In
den
Vorteilhaft
ist die optische Anordnung, gebildet durch den Laser
Der
Umfangsspiegel
Für die Funktion
des Umfangsspiegels
Die
unterschiedlichen geeigneten Querschnitte des Umfangsspiegels
Als
Querschnitte für
den Umfangsspiegel
Zusätzliche
Spiegelelemente
Es
ist das Ziel, das zeitlich begrenzt eingekoppelte Strahlenbündel
Idealerweise
sind der Umfangsspiegel
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist insbesondere geeignet zur Umfangsbearbeitung von zylinderförmigen,
drahtförmigen,
bandförmigen
oder rohrförmigen
Werkstücken
Vorteilhaft
ist auch, dass durch einen Austausch nur des Umfangsspiegels
Dass
die Bearbeitungskammer
Grundsätzlich wird
die Werkstückachse
In
jedem Fall sind die Werkstückachse
Die
Werkstücke
Unter
Bearbeitung bzw. dem Bearbeitungsziel soll hier jede denkbare Materialbeeinflussung mittels
Laserstrahlung verstanden werden, wie z. B. eine Erwärmung, Verdampfung
und Sublimation, Abtragung, Bestrahlung zur Oberflächenveränderung, Beschichtung
sowie Einengung oder Trennung des Materialstranges. Für die Auswahl
eines geeigneten Umfangsspiegels
Dabei
kann über
einen Arbeitsbereich
Die
Werkstücke
Das
Werkstück
Ob und welcher Art eine Relativbewegung und mit welcher Geschwindigkeit sie gegebenenfalls erfolgt, hängt vom Bearbeitungsziel ab.If and what kind of relative movement and at what speed if necessary, depends from the processing target.
Anstelle
nur eines optischen Systems kann die Vorrichtung auch zwei oder
mehr optische Systeme aufweisen, die jeweils mit Lasern
Eine
zeitgleiche oder zeitlich aufeinanderfolgende Bearbeitung mit Strahlenbündeln
Den
z. B. zwei optischen Systemen kann jeweils eine Strahleintrittsöffnung
Nachfolgend
sollen einige Ausführungsbeispiele
aufgezeigt werden, die sich insbesondere durch unterschiedliche
Ausführungen
des Umfangsspiegels
In
einem ersten Ausführungsbeispiel,
erläutert
an den
Die
Zeichenebene stellt die X-Y-Ebene dar, in der sich das Strahlenbündel
Von
dem in den Umfangsspiegel
Alle
Strahlen des Strahlenbündels
Wie
bei einem Vergleich der
Während, wie
in
Das
erste Ausführungsbeispiel
für einen
Umfangsspiegel
Über die
Auswahl der Parameter α, β und der Breite
des Strahlenbündels
Die
Tiefe ergibt sich hierbei aus der Differenz des Werkstückradius
Rw und dem sich durch die ausgewählten Strahlparameter
einstellenden Grenzradius Ri, womit z. B.
eine Nut vorgegebener Tiefe und Breite am Werkstück
Wenn
der halbe Öffnungswinkel α und der Neigungswinkel β so gesteuert
werden, dass der Grenzradius Ri zum Beginn
der Bearbeitung gleich dem Werkstückradius Rw ist
und nach einem vorgegebenen Zeitregime den Wert Null erreicht, wird
das Werkstück
Insbesondere kommt es bei viskosen Materialien mit starker Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur, wie z. B. bei einer Glasschmelze, zum gleichzeitigen Erwärmen, Verringern der Viskosität, Verdampfen, Einengung durch Wirkung der Oberflächenspannung und Abtrennen bzw. Tropfenbildung durch Wirkung der Schwerkraft oder anderer äußerer Kräfte.Especially it comes with viscous materials with strong dependence the viscosity from the temperature, such as. B. in a molten glass, for simultaneous Heat, Reducing the viscosity, evaporation, Narrowing due to the effect of surface tension and separation or dripping due to the action of gravity or other external forces.
Das
Werkstück
Während der
Bearbeitung bleibt der gesamte Arbeitsbereich
In
einem zweiten Ausführungsbeispiel,
erläutert
anhand von
Dargestellt
sind ausgehend von der Strahleintrittsöffnung
So
lässt sich
die Strahlführung
innerhalb des Umfangsspiegels
Im
Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel
für einen
Umfangsspiegel
Günstig auf die Homogenisierung wirkt sich auch die Anpassung der Anzahl der Teilflächen aus und eine Reflexion in den Ecken zwischen den Teilflächen, die eine Strahlteilung bewirkt.Favorable Homogenization also affects the adaptation of the number of subareas off and a reflection in the corners between the faces that causes a beam splitting.
In
Ein
Strahlenbündel
Ebenso wie die Ecken können die Teilflächen, abweichend von Planflächen, als sphärische oder asphärische Flächen ausgebildet sein.As well how the corners can the faces, deviating from plane surfaces, as spherical or aspherical surfaces be educated.
Die
modifizierte Oberflächenform
kann entweder durch eine entsprechende Oberflächenform der Spiegelfläche an den
Teilflächen
bzw. den Ecken erfolgen oder aber durch fest am Umfangsspiegel
Wie
in
Das
in
Hier
trifft das einfallende Strahlenbündel
Anstelle
eines divergenten Strahlenbündels
Bei
den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Strahlenbündel
Das
Strahlenbündel
Auch
bei dem in
Ein
zusätzliches
Spiegelelement
Auch
hier erfolgt eine erste Strahlteilung des Strahlenbündels
Alle
vorgenannten Ausführungsbeispiele
haben gemeinsam, dass ein Werkstück
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist jedoch nicht auf eine einzige Strahlungsquelle beschränkt und
auch nicht auf einen Umfangsspiegel
Ein
siebentes Ausführungsbeispiel,
dargestellt in
Die
Strahlformungsoptiken
Die
beiden Strahlenbündel
In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
auch noch einmal zusätzliche,
am Umfangsspiegel
Eines
der beiden zusätzlichen
Spiegelelemente
Die
zusätzlichen
Spiegelelemente
Ein
achtes Ausführungsbeispiel,
dargestellt in
In
Abhängigkeit
vom Winkel wird das Strahlenbündel
Eine
solche Lösung
hat auch den Vorteil, dass ein Strahlenbündel
Mit
einem neunten Ausführungsbeispiel,
gezeigt in
Die
Strahlparameter des Strahlenbündels
Ein
zehntes Ausführungsbeispiel
soll anhand der
Für einen
Umfangsspiegel
In
Das
Werkstück
Ein
in den Umfangsspiegel
Sieht man sich den dargestellten Kurvenverlauf an, erkennt man Umfangsabschnitte, z. B. im Bereich von 43–65 mm, bei dem der Kurvenverlauf innerhalb eines relativ schmalen Toleranzbandes bleibt. Man erkennt aber auch Umfangsabschnitte mit starken Kurven-Ausschlägen, wie sie einer homogenen Umfangsbearbeitung nicht genügen.looks If one looks at the illustrated curve, one recognizes circumferential sections, z. In the range of 43-65 mm, where the curve remains within a relatively narrow tolerance band. But it also recognizes peripheral sections with strong curve rashes, such as they do not satisfy a homogeneous circumferential processing.
Schon
eine Strahlteilung vor der ersten Reflexion im Umfangsspiegel
Für das Bearbeitungsziel
des vollständigen Trennens
des Werkstückes
Eine
gleichmäßigere Verteilung
wird erreicht bei einer Vergrößerung des
Größenverhältnisses zwischen
dem Werkstück
Auch
kann eine Homogenisierung auf einfache Weise erreicht werden, indem
das Werkstück
Wie
bereits dargelegt, können
das Werkstück
Alle
vorbenannten Ausführungsbeispiele
zeigen, dass das Verfahren und die Vorrichtung insbesondere in Abhängigkeit
vom Querschnitt des Werkstückes
- 11
- Laserlaser
- 22
- erste Strahlformungsoptikfirst Beam shaping optics
- 33
- Strahlenbündelray beam
- 3.1–3.n3.1-3.n
- ausgezeichnete Strahlen des Strahlenbündelsexcellent Rays of the beam
- 3.1m–3.nm 3.1 m -3.n m
- ausgezeichnete Strahlen des Strahlenbündels nach m-ter Reflexionexcellent Rays of the beam after mth reflection
- 44
- zweite Strahlformungsoptiksecond Beam shaping optics
- 55
- Umfangsspiegelextensive mirror
- 66
- StrahleintrittsöffnungBeam entrance opening
- 77
- DurchführöffnungThrough opening
- 88th
- Werkstückworkpiece
- 99
- UmfangsspiegelsystemachseExtensive mirror system axis
- 1010
- ArbeitsbereichWorkspace
- 1111
- WerkstückachseWorkpiece axis
- 1212
- Flächennormalesurface normal
- 1313
- Bearbeitungskammerprocessing chamber
- 1414
- zusätzliches Spiegelelementadditional mirror element
- 1515
- optische Achseoptical axis
- αα
- halber Öffnungswinkelhalf opening angle
- ββ
- Neigungswinkeltilt angle
- RSP R SP
- Krümmungsradiusradius of curvature
- Ri R i
- Grenzradiuslimit radius
- Rw R w
- WerkstückradiusWorkpiece radius
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